Tranzistorul semiconductor cu oxid de metal sau tranzistorul MOS este un bloc de bază în cipurile logice, procesoare și memorii digitale moderne. Este un dispozitiv cu purtător majoritar, în care curentul dintr-un canal conducător între sursă și scurgere este modulat de o tensiune aplicată la poartă. Acest tranzistor MOS joacă un rol cheie în diferite circuite integrate analogice și cu semnal mixt. Acest tranzistor este destul de adaptabil, deci funcționează ca un amplificator, un comutator sau ca rezistor . nu tranzistoare sunt clasificate în două tipuri PMOS și NMOS. Deci, acest articol discută o privire de ansamblu asupra tranzistor NMOS – fabricație, circuit și funcționare.
Ce este un tranzistor NMOS?
Un tranzistor NMOS (semiconductor de oxid de metal cu canale n) este un tip de tranzistor în care dopanți de tip n sunt utilizați în regiunea porții. O tensiune pozitivă (+ve) pe terminalul porții pornește dispozitivul. Acest tranzistor este utilizat în principal în CMOS (semiconductor complementar cu oxid de metal) design și, de asemenea, în cipuri logice și de memorie. În comparație cu tranzistorul PMOS, acest tranzistor este foarte rapid, astfel încât mai mulți tranzistori pot fi plasați pe un singur cip. Simbolul tranzistorului NMOS este prezentat mai jos.
Cum funcționează tranzistorul NMOS?
Funcționarea tranzistorului NMOS este; când tranzistorul NMOS primește o tensiune care nu este neglijabilă, atunci formează un circuit închis, ceea ce înseamnă că conexiunea de la borna sursă la dren funcționează ca un fir. Deci curentul curge de la terminalul de poartă la sursă. În mod similar, atunci când acest tranzistor primește o tensiune de aproximativ 0 V, atunci formează un circuit deschis, ceea ce înseamnă că conexiunea de la borna sursă la dren va fi întreruptă, astfel încât curentul curge de la borna de poartă la dren.
Secțiune transversală a tranzistorului NMOS
În general, un tranzistor NMOS este construit pur și simplu cu un corp de tip p de două regiuni semiconductoare de tip n care sunt adiacente porții cunoscute sub numele de sursă și scurgere. Acest tranzistor are o poartă de control care controlează fluxul de electroni între bornele sursă și de scurgere.
În acest tranzistor, deoarece corpul tranzistorului este împământat, joncțiunile PN ale sursei și scurgerii către corp sunt polarizate invers. Dacă tensiunea la terminalul porții este crescută, un câmp electric va începe să crească și va atrage electroni liberi la baza interfeței Si-SiO2.
Odată ce tensiunea este suficient de mare, atunci electronii ajung să umple toate găurile și o regiune subțire de sub poartă cunoscută sub numele de canal va fi inversată pentru a funcționa ca un semiconductor de tip n. Acest lucru va crea o bandă conducătoare de la terminalul sursă la dren, permițând fluxul de curent, astfel încât tranzistorul va fi pornit. Dacă terminalul de poartă este împământat, atunci nu curge curent în joncțiunea polarizată invers, astfel încât tranzistorul va fi oprit.
Circuitul tranzistorului NMOS
Designul porții NOT folosind tranzistori PMOS și NMOS este prezentat mai jos. Pentru a proiecta o poartă NOT, trebuie să combinăm tranzistoarele pMOS și nMOS conectând un tranzistor pMOS la sursă și un tranzistor nMOS la sol. Deci, circuitul va fi primul nostru exemplu de tranzistor CMOS.
Poarta NOT este un tip de poartă logică care generează o intrare inversată ca ieșire. Această poartă se mai numește și invertor. Dacă intrarea este „0”, ieșirea inversată va fi „1”.
Când intrarea este zero, atunci merge la tranzistorul pMOS de sus și în jos la tranzistorul nMOS din partea de jos. Odată ce valoarea de intrare „0” ajunge la tranzistorul pMOS, atunci aceasta este inversată în „1”. astfel, conexiunea către sursă este oprită. Deci, aceasta va genera o valoare logică „1” dacă conexiunea către dren (GND) este de asemenea închisă. Știm că tranzistorul nMOS nu va inversa valoarea de intrare, astfel că ia valoarea zero așa cum este și va face un circuit deschis la dren. Deci, o valoare logică este generată pentru poartă.
În mod similar, dacă valoarea de intrare este „1”, atunci această valoare este trimisă la ambele tranzistoare din circuitul de mai sus. Odată ce valoarea „1” primește tranzistorul pMOS, atunci acesta va fi inversat la un „o”. ca urmare, conexiunea către sursă este deschisă. Odată ce tranzistorul nMOS primește valoarea „1, atunci nu va fi inversat. deci, valoarea de intrare rămâne ca una. Odată ce o valoare este primită de tranzistorul nMOS, atunci conexiunea către GND este închisă. Deci va genera un „0” logic ca ieșire.
Procesul de fabricație
Există mulți pași implicați în procesul de fabricare a tranzistorului NMOS. Același proces poate fi utilizat pentru tranzistoarele PMOS și CMOS. Materialul cel mai frecvent utilizat în această fabricație este polisiliciul sau metalul. Etapele procesului de fabricație pas cu pas ai tranzistorului NMOS sunt discutate mai jos.
Pasul 1:
Un strat subțire de plachetă de siliciu este schimbat în material de tip P prin simpla dopare cu material cu bor.
Pasul 2:
Un strat gros de Sio2 este crescut pe un substrat complet de tip p
Pasul 3:
Acum suprafața este acoperită printr-un fotorezist pe stratul gros de Sio2.
Pasul 4:
Ulterior, acest strat este expus la lumina UV cu o mască care descrie acele regiuni în care difuzia trebuie să aibă loc împreună cu canalele tranzistorului.
Pasul 5:
Aceste regiuni sunt gravate reciproc cu Sio2 subiacent, astfel încât suprafața plachetei să fie expusă în fereastra definită prin mască.
Pasul 6:
Fotorezistul rezidual este separat și stratul subțire de Sio2 este crescut cu 0,1 micrometri de obicei pe întreaga suprafață a cipului. Apoi, polisiliciul este situat pe acesta pentru a forma structura porții. Un fotorezist este plasat pe stratul complet de polisiliciu și expune lumina ultravioletă în întreaga mască2.
Pasul 7:
Prin încălzirea plachetei la temperatura maximă, se realizează difuzii și trece gaz cu impurități de tip n dorite, cum ar fi fosforul.
Pasul 8:
O grosime de un micrometru de dioxid de siliciu este crescut peste tot și material fotorezist este plasat pe acesta. Expuneți lumina ultravioletă (UV) prin masca3 pe regiunile preferate ale porții, regiunile sursă și dren sunt gravate pentru a face tăieturile de contact.
Pasul 9:
Acum, un metal precum aluminiul este plasat pe suprafața sa de un micrometru. Încă o dată, un material fotorezistent este crescut pe tot metalul și este expus la lumina UV prin mască4, care este o formă gravată a designului de interconectare obligatoriu. Structura finală NMOS este prezentată mai jos.
Tranzistor PMOS vs NMOS
Diferența dintre tranzistoarele PMOS și NMOS este discutată mai jos.
| Tranzistor PMOS | Tranzistor NMOS |
| Tranzistorul PMOS înseamnă tranzistor semiconductor de oxid de metal cu canal P. | Tranzistorul NMOS înseamnă tranzistor semiconductor cu oxid de metal cu canal N. |
| Sursa și scurgerea în tranzistoarele PMOS sunt pur și simplu realizate cu semiconductori de tip n | Sursa și scurgerea din tranzistorul NMOS sunt pur și simplu realizate cu semiconductori de tip p. |
| Substratul acestui tranzistor este realizat cu un semiconductor de tip n | Substratul acestui tranzistor este realizat cu semiconductor de tip p |
| Majoritatea purtătorilor de sarcină din PMOS sunt găuri. | Majoritatea purtătorilor de sarcină din NMOS sunt electroni. |
| În comparație cu NMOS, dispozitivele PMOS nu sunt mai mici. | Dispozitivele NMOS sunt destul de mai mici în comparație cu dispozitivele PMOS. |
| Dispozitivele PMOS nu pot fi comutate mai rapid în comparație cu dispozitivele NMOS. | În comparație cu dispozitivele PMOS, dispozitivele NMOS pot fi comutate mai rapid. |
| Tranzistorul PMOS va conduce odată ce o tensiune joasă este furnizată la poartă. | Tranzistorul NMOS va conduce odată ce o tensiune înaltă este furnizată la poartă. |
| Acestea sunt mai imune la zgomot. | În comparație cu PMOS, acestea nu sunt imune la zgomot. |
| Tensiunea de prag (Vth) a acestui tranzistor este o cantitate negativă. | Tensiunea de prag (Vth) a acestui tranzistor este o mărime pozitivă. |
Caracteristici
The Caracteristicile I-V ale tranzistorului NMOS sunt prezentate mai jos. Tensiunea dintre poartă și bornele sursei „V GS ’ și, de asemenea, între sursă și scurgere „V DS ’. Deci, curbele dintre I DS și V DS sunt obținute prin simpla împământare a terminalului sursei, setarea unei valori VGS inițiale și trecerea V DS de la „0” la cea mai mare valoare a tensiunii DC dată de V DD când pășim pe V GS valoare de la „0” la V DD . Deci, pentru V extrem de scăzut GS , eu DS sunt extrem de mici și vor avea o tendință liniară. Când V GS valoarea devine mare, apoi eu DS îmbunătățește și va avea dependența de mai jos de V GS & IN DS ;
Dacă V GS este mai mic sau egal cu V TH , atunci tranzistorul este în starea OPRIT și funcționează ca un circuit deschis.
Dacă V GS este mai mare decât V TH , apoi există două moduri de operare.
Dacă V DS este mai mică decât V GS - ÎN TH , apoi tranzistorul funcționează în modul liniar și funcționează ca o rezistență (R PE ).
IDS = u eff C bou W/L [(V GS - ÎN TH )ÎN DS – ½ V DS ^2]
Unde,
„µeff” este mobilitatea efectivă a purtătorului de sarcină.
„COX” este capacitatea oxidului de poartă pentru fiecare unitate de suprafață.
W & L sunt lățimea și lungimea canalului în mod corespunzător. R PE valoarea este pur și simplu controlată de tensiunea porții după cum urmează;
R ON = 1/in n C bou W/L [(V GS - ÎN TH )ÎN DS – ½ V DS ^2]
Dacă VDS este mai mare sau egal cu V GS - ÎN TH , atunci tranzistorul funcționează în modul de saturație
eu DS = u n C bou W/L [(V GS - ÎN TH )^2 (1+λ V DS ]
În această regiune, când eu DS este mai mare, atunci curentul depinde minim de V DS Cu toate acestea, valoarea sa cea mai mare este controlată pur și simplu prin VGS. Modulația lungimii canalului „λ” ține cont de creșterea în IDS printr-o creștere în VDS în tranzistori, din cauza pinch-off. Această întrerupere are loc odată ce ambele V DS și V GS decideți asupra modelului câmpului electric aproape de regiunea de scurgere, schimbând astfel direcția purtătorilor de sarcină de alimentare naturale. Acest efect reduce lungimea canalului eficient și mărește I DS . În mod ideal, „λ” este echivalent cu „0”, astfel încât I DS este total independent de V DS valoare în regiunea de saturație.
Astfel, despre asta este vorba o prezentare generală a unui NMOS tranzistor – fabricație și circuit cu funcționare. Tranzistorul NMOS joacă un rol cheie în implementarea porților logice, precum și a altor circuite digitale diferite. Acesta este un circuit microelectronic utilizat în principal în proiectarea circuitelor logice, cipurilor de memorie și în proiectarea CMOS. Cele mai populare aplicații ale tranzistoarelor NMOS sunt comutatoarele și amplificatoarele de tensiune. Iată o întrebare pentru tine, ce este un tranzistor PMOS?
